Глава 5. Введение в гидравлический разрыв пласта

 

Нефть и газ добываются из разных типов резервуаров. На протяжении геологического времени и под действием тектонических сил углеводороды удерживаются в осадочных породах разного типа пористости, расположенных в различных частях земного шара. При бурении скважины через продуктивный пласт, находящиеся под большим давлением в поровом пространстве нефть и газ двигаются к скважине, а затем поднимаются на поверхность. Режим, при котором происходит приток жидкости к скважине, называется радиальным (рис.12.)

 

 

 

Рис.12. Радиальный приток к скважине

 

Когда скважина дает приток при радиальных условиях, ее производительность зависит от депрессии, создаваемой между пластом и скважиной DP, и пропускной способности пласта kh.

 

Приток добывающей скважины может быть значительно увеличен с помощью гидравлического разрыва пласта. При проведении ГРП в скважину закачивается жидкость при давлении выше давления разрыва породы. При дальнейшей закачке жидкости в пласт создается высокопроницаемая трещина. В песчаных коллекторах, а иногда и в карбонатных, созданная трещина расклинивается проппантом. В карбонатных коллекторах для растворения породы вдоль трещины может быть использована кислота. Использование кислоты увеличивает проницаемость трещины за счет создания вытравленных каналов, остающихся открытыми после закрытия трещины. Течение жидкости в трещине – линейное (рис.13.).

 

 

 

 

                                  Рис.13. Линейное течение жидкости в трещине

 

Создание линейного потока ведет к увеличению темпов отбора жидкости из пласта. В трещине значительно снижаются дополнительные потери давления при течении жидкости из пласта к скважине.

 

Желаемые экономические показатели и интенсификация добычи пластовой продукции могут быть достигнуты с помощью ГРП. Ускорение темпов отбора жидкости из пласта означает, что балансовые запасы могут быть извлечены за более короткий период времени. ГРП может быть применен как в высокопроницаемых, так и в низкопроницаемых коллекторах.

 

Ясно, что ГРП часто используется для увеличения добычи из низкопроницаемых зон пласта. Площадной контакт высокопроницаемой трещины с пластом дает заметное увеличение притока из низкопроницаемого пласта, а также  количество экономически рентабельных извлекаемых запасов углеводородов.

 

Экономический эффект от ГРП также ощутим в высокопроницаемых песчаных пластах при использовании высоких концентраций проппанта и относительно небольшого объема жидкости, т.е. так называемой технологии Frac & Pack. Кислотный ГРП также используется для поддержания стабильного уровня добычи высокодебитных газовых скважин, добывающих из среднепроницаемых карбонатных коллекторов. В высокодебитных скважинах ГРП обеспечивает не только первоначальное увеличение добычи, но и, благодаря наличию трещины, позволяет увеличить эффективность дренирования жидкости путем создания линейного течения в трещине, обеспечивающего уменьшение потерь давления ΔP.

 

Индекс продуктивности PI является показателем эффективности проведения ГРП. Так как естественная проницаемость k – неизменный параметр, проницаемость пласта оказывает значительное влияние на дебит скважины. Чем меньше потери давления ΔP, тем эффективнее воздействие на пласт. Уравнение расчета индекса продуктивности J выглядит следующим образом:

 

                                                       J =    q                            (Уравнение 8)

                                                        Δp

где:

 

                               J = индекс продуктивности PI, ст.бар./день/psi

                     q = объемный дебит, ст.бар./день

                               Δp = пластовое давление p_r – забойное давление p_wf

Геометрия трещины

Существует множество зависимостей в механике трещины, влияющих на характер развития трещины в реальных геологических условиях. Понимание этих взаимосвязей очень важно для моделирования трещины и компьютерного дизайна. 

 

Ориентация трещины

На начальном этапе применения ГРП было сделано допущение, что создаваемая трещина горизонтальная, так как полагали, что наиболее вероятно развитие трещины между плоскостями напластования. Ранняя диагностика скважины, проводимая в начале 1960-х годов совместно с лабораторными исследованиями, показали, что большинство трещин вертикально. Напряжение горных пород определяет ориентацию создаваемой трещины, а также влияет на азимут трещины.

 

Для анализа влияния горных напряжений на развитие трещины их можно разбить на три основных составляющих: два горизонтальных напряжения (σ_x и σ_y) и одно вертикальное (σ_z) как показано на рис.14. Результирующим напряжением является сумма трех составляющих и порового давления (или пластовое давление p_r). Давление в поровом пространстве компенсирует горные напряжения. Давление обусловлено присутствием в порах флюидов (в основном нефти и газа) и давлением вышележащих пород. Поровое давление компенсирует каждую из основных составляющих горного напряжения.

 

			σy

 

 

Рис.14. Основные напряжения горных пород

 

Для создания трещины при проведении ГРП необходимо преодоление предела прочности породы на разрыв. Направление и развитие трещины зависит от естественных напряжений горных пород. Развитие трещины будет происходить в направлении, перпендикулярном минимальному горному напряжению. Например, если σ_x – наименьшее горное напряжение, то развитие трещины будет происходить в плоскости, перпендикулярной этому напряжению, как показано на рис.15.

                       σ_x     σ_x < σ_y < σ_z

                           σ_z                             

   σ_y

 

Рис.15. План вертикальной трещины, перпендикулярной σ_x

 

Если вертикальное напряжение σ_z наименьшее, то создаваемая трещина развивается в горизонтальной плоскости. Опыт показывает, что горизонтальные трещины имеют место на небольших глубинах, где давление вышележащих толщ σ_z минимально. Конечно же, в регионах с аномальными горными напряжениями вследствие складкообразования и образования взбросов и сбросов возможно создание наклонных трещин и других отклонений. Однако в большинстве случаев мы имеем дело с вертикальными трещинами. Многие технические достижения в разработке моделей и анализе поведения трещины и давлений разрыва основаны на системе вертикальных трещин.

 

Азимут трещины

Основные напряжения горных пород влияют не только на горизонтальное или вертикальное развитие трещины, но и на ее азимут (при вертикальном развитии трещины). Знание азимута трещины важно по следующим причинам: 1) вследствие минимизации интерференции скважин и 2) вследствие использования преимущественного расположения азимутов скважин при вторичной и третичной добыче. На рис.16 представлен случай интерференции двух скважин. Знание азимута трещины может быть использовано на практике

 

 

 

Рис.16. Схема интерференции двух скважин

 

Несмотря на то, что тенденции образования трещин в данном геологическом регионе известны, в некоторых скважинах должны быть рассмотрены предполагаемые азимуты трещин. Существует несколько методик для определения или приблизительной оценки азимута трещины. Некоторые методы для точного определения азимута трещины включают в себя:

 

наклономеры

лабораторные исследования профиля напряжений и анизотропии направленных кернов

глубинная сейсморазведка

измерение эллиптичности диаметра скважины